LNG发动机电控系统新面目，原来是这样！

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收藏于 : 2019-11-08 09:14   被转藏 : 1   


航运业是重要能源消费领域，LNG作为动力燃料的船舶既符合国家能源产业政策和节能减排要求，又有利于航运企业降低经济成本，具有较好的经济效益和广阔的市场前景。
LNG动力船舶与常规能源船舶相比，一般需要增加一套电控系统来实现供气和用气的功能，即气体燃料发动机的电控系统以及气体燃料发动机燃料控制系统。它们属于自动化系统的一部分，是驾控系统、监控报警系统的重要组成部分，从功能上又相互独立。


气体燃料发动机电控系统 

气体燃料发动机电控系统主要是电子控制的燃气和燃油（如有）系统。它控制喷气量、空燃比、点火时刻、喷油量（如有）等参数，能柔性调节气体燃料发动机各系统参数，对外进行数据交换。气体燃料发动机电控系统主要由传感器、 电子控制器（ECU）、执行机构、机旁和远程控制装置组成。由ECU接收传感器的信号，并对传感器的信号进行处理和分析，了解发动机运行状况，然后根据需要和计算向执行器发送指令，控制发动机的运行。电控系统一般集成了燃油/燃气供给、空气供给、点火控制、负荷控制、碳排放控制、废气再循环、怠速控制、故障诊断等功能。  
从ECU的功能上来说，目前国外厂家设计的LNG发动机，其ECU基本上都已经高度的集成化。无论是单一气体发动机还是双燃料发动机，一般只有一个ECU，来适应可能不同的工作情况。而在国内，也存在较多混烧形式的发动机，除了燃气ECU之外，还存在一个燃油的ECU/调速器。但不论哪一种形式，当前的ECU除了能够实现发动机功率输出基本功能外，也都进行了完善的故障处理保护，对故障的处理不同的厂家的处理上还有所不同，总结起来大致可以分为4种等级和方式进行处理。例如采用“跛行”、降低燃气替代率、降低功率、切换回纯柴油（如有）模式等方式，尽可能保证单一故障下不会使发动机失去全部动力。  
从控制方式来说，国内机型大多采用单点喷射，主要是由发动机自身的改造成本决定的，国内也有厂家研制成功了工业应用的多点喷射系统。单点喷射系统便于在发动机上安装和维护，并且从ECU的角度来讲，这类系统控制上更为简单，在控制方面它不需要很高的实时性（与多点喷射ECU相比较），也不需要严格的控制空燃比，只需要将一定量的天然气喷入进气总管即可，因此ECU的成本和调试也更加容易。 但是该供气方式有一定的不足，混合器预混合供气减少空气充量一般达10%～15%，影响发动机燃烧过程，在发动机燃烧和排放控制方面是比较困难的，同时，部分天然气/空气混合气在气门叠开期间直接排入排气管也影响了排放，这点，在HC排放对比中，也得到很明显的体现。从国外发展趋势， CCS认为采用电控多点气体喷射系统或缸内喷射都比进气道混合器预混合供气方式要优越，能够将气体燃料供给的调节质量大幅提高。但其技术实施比较复杂。不过，已经有一些专利技术或技术方案解决或逐步解决这些问题，从而体现多点喷射技术它优良的气体燃料发动机工作性能和优越的排放性能，也是未来气体机精细化控制的方向之一。


  双燃料ECU系统框图

双燃料混烧发动机电控系统
双燃料混烧型发动机系统的技术主要是对柴油机引燃油量和天然气供给量进行控制，使两者在不同的工况下达到合适的匹配，以满足发动机动力性、经济性和限制排放的要求。从目前的调研结果来看，许多厂家都研发了这类型的电子控制系统，包括新机和改造机都有广泛的应用。而对于国内部分机型，特别是旧机改造，或者是在原型机上加装燃气系统的新造机，往往没有对原有机型做大的改动，保留了原有机型的燃油的机械/电子调速器（内河多见机械调速器）。在这种情况下，新加装的燃气ECU与原有的燃油调速器就有了一个协调工作的要求，主要有以下特点：  
1、总体控制，一般仍以燃气的ECU来协调控制。
由于改造机需要实现空燃比、油气替代率等总体控制功能，而这些功能不可能由原有的燃油调速器来实现，因此，一般由燃气ECU来协调控制，这个协调控制主要实现的功能根据发动机的不同类型、进气方式又略有不同，但主要的需要实现的是燃气和燃油喷射量和喷射时间的控制，这部分的控制，一般以燃气的ECU来控制。
2、负荷控制上，存在两种不同的控制思路，又分为两种模式：      
一种是在工作过程中，保留原有燃油的调速器的功能，柴油的喷射（量）仍由其完成。燃气的ECU通过加装油门位置传感器等措施，可以得到当前实际消耗的油量，然后通过查询map图等方式，判断当前实际消耗油量，与理论的最佳值进行比较，再决定是否需要增减油量。  
增减油量的控制，由进气/减气来实现。进气/减气对于燃油调速器来说，实际上相当于负荷的减少/增加，因此燃油调速气会根据变化的气量调节燃油的实际供给量，来匹配当前的负荷需要。这种模式的优点在于，匹配当前的负荷，主要由燃油的调速器来完成，那么实际的调速率比较接近于原机；另外由于燃油的调速器一直保持使用，那么在燃气ECU失效时，能够及时的维持发动机的运转。
第二种是在工作过程中，通过机械改造手段，屏蔽原有的燃油调速器的功能，并增加一套由燃气ECU控制的燃油执行机构来实现由燃气ECU控制喷油（量）的功能。这时，燃油和燃气的增减，统一由燃气的ECU来控制。
这种模式的优点在于，燃气的ECU能统一控制燃油和燃气的喷射量。前一种的控制思路，由于目前对于当前使用油量的监测，很可能并不精确，因此这种控制方式对于燃料的精细化使用是有一定好处的。但是，由于目前通过燃气来响应负荷，实际上对调速特性会有影响，特别是缸径较大的机器，表现的更为明显，因此调速率是这种控制模式的一个瓶颈。另外，由于燃油的调速器在大部分工作时间内不工作，因此在燃气ECU故障时的紧急响应上，要比前一种模式复杂（比如要取消燃气ECU的执行机构对油量的控制，重新恢复原调速器的控制），对于故障的响应增加了可能出现失效的概率。
3、从控制系统的冗余度方面来讲，CCS认为以单一故障不失去发动机全部动力的角度上来衡量，混烧发动机还具有一定优势。因为单燃料气体发动机应对ECU和重要的传感器进行冗余设计，而对于双燃料混烧型发动机，如能在任意严重故障均确保能切换到纯柴油工作状态，切断天然气系统的天然气供应，同时停止油量执行器对油泵齿条位置的控制，油泵恢复到原柴油工作模式，也是一种很好的ECU冗余设计方案，并且比起纯气体燃料发动机，在设计ECU的冗余性上更加经济。
气体燃料控制系统 
气体燃料控制系统指为发动机提供燃气的控制系统，对气罐主阀、主气体燃料阀、连锁气体阀、管路透气阀等执行机构进行遥控，正常工况下保证对发动机燃料供应，并对包括通风、火灾、气体泄漏、气罐异常、发动机故障等情况进行不间断的监测，在异常状态下进行相应报警、关阀、透气等安保动作。气体燃料控制系统一般应还具有与其他监测系统通讯的功能。  
由于这一系统与船舶常规的监控系统差异不大，一般也是以可编程逻辑控制器（PLC）以主体进行设计。所以， CCS建议设计者在设计过程中主要关注两个要点：一是应在功能上应合理设计，对于监测到的故障，切断故障点前段的气体供给即可；二是应综合兼顾安全和船舶动力，例如本安型机器处所双壁管内外管之间通风失效的情况下，如果是双燃料发动机，可以切断气体供给，转用柴油模式继续运行，但如果是单一气体燃料发动机，这时应仅提供报警供船舶驾驶人员自行判断，以免自动切断气体供给造成船舶失去动力。
随着各方面调控政策的出台，高效燃油、清洁能源等市场越来越广阔，发动机改造市场也正如火如荼的进行着，国家也相继出台了改造补贴政策。在各方面因素的推动下，发动机改造技术的变革势必将带来一场新革命，多点喷射系统和电控ECU等核心技术也将成为最核心竞争力。只有掌握最强技术才能掌握和领航市场。

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